タイムトラベル

いくつかの理論、特に特殊相対性理論と一般相対性理論では、時空の適切な幾何学や空間内の特定の種類の運動が可能であれば、過去や未来へのタイムトラベルが可能になるかもしれないと示唆している：499 技術論文では、物理学者が閉時性曲線、つまり時空内で閉ループを形成する世界線、物体を自身の過去に戻せる可能性について述べている。 ゲーデル時空など、閉じたタイムリケ曲線を含む時空を記述する一般相対性理論の方程式の解があることが知られているが、これらの解の物理的な信憑性は不明である。 タイムトラベルを可能にするような理論は、因果関係の問題を引き起こす可能性がある。 因果関係の問題の典型的な例は「祖父のパラドックス」である。もし、過去にさかのぼって、自分の父親が受胎する前に自分の祖父を殺してしまったらどうなるだろうか。 ノヴィコフやドイチュのような一部の物理学者は、ノヴィコフの自己無矛盾性原理や、相互作用する世界を持つ多世界解釈の変形によって、この種のタイムパラドックスを回避できることを示唆した」

General relativity

過去へのタイムトラベルは、宇宙ひも、トラバーサルワームホール、アルクビエールドライブのように、光速より速く移動できる特定の一般相対性時空間幾何では理論的に可能である」。一般相対性理論では、ある特殊なシナリオにおいて、過去へのタイムトラベルが可能であるという科学的根拠が示されているが、半古典重力理論の議論では、一般相対性理論に量子効果を取り入れると、これらの抜け穴が塞がれる可能性があることが示唆されている。 しかし、量子力学と一般相対性理論を完全に統合する量子重力理論がない限り、物理学者はこの問題に対して明確な判断を下すことができない。 この方程式の厳密解は、閉じた時間的な曲線、つまり世界線と交差する世界線を含んでおり、世界線の因果的な未来のある点は、その因果的な過去にもある、タイムトラベルと表現できる状況である。 このような解決法はクルト・ゲーデルによって最初に提案され，ゲーデル計量として知られているが，彼の（そして他の人の）解決法は，宇宙が回転やハッブル拡張の欠如といった，宇宙が持っていないように見える物理的特性を持つことを要求している：499。 一般相対性理論が、すべての現実的な条件に対して閉じた時間的な曲線を禁じているかどうかは、まだ研究されている。 ワームホール

ワームホールは、一般相対性理論のアインシュタイン場の方程式によって許される、仮説上のゆがんだ時空である:100 渡河可能なワームホールを使った時間旅行機の提案は、仮説上次のように機能することになる。 ワームホールの一端を光速の何分の一かにまで加速し、おそらく何らかの高度な推進システムで、元の地点に戻す。 また、ワームホールの一方の入口を、他方の入口よりも重力の大きな物体の重力圏内に移動させ、他方の入口付近に戻す方法もある。 しかし、時間の流れはワームホールの中と外では異なるので、ワームホールの両端で同期した時計は、両端がどのように動いても、ワームホールを通過する観測者から見て常に同期したままであることがわかります。このことは、「若い」端に入った観察者は、「古い」端が「若い」端と同じ年齢になったときに「古い」端から出ることになり、外から見た観察者は事実上時間を遡ることになる。 このようなタイムマシンの重要な制限の1つは、マシンが最初に作成された時点までしか過去に戻ることができないということです。 より専門的には、ワームホールの時空には、弱、強、支配のエネルギー条件とともに、無効エネルギー条件など、様々なエネルギー条件を破るエネルギー分布が必要とされる。 しかし、量子効果によって、測定可能なわずかな無効エネルギー条件の違反が起こりうることが知られており、多くの物理学者は、量子物理学におけるカシミール効果によって、必要な負のエネルギーが実際に可能かもしれないと考えている(101)。 初期の計算では非常に大きな負のエネルギーが必要とされたが、後の計算では負のエネルギーは任意に小さくできることがわかった。

1993年にマット・ビッサーは、このような誘導クロック差を持つワームホールの二つの口は、量子場と重力効果によってワームホールが崩壊するか二つの口が互いに反発し合わない限り一緒にすることはできない、と主張した。 このため、因果関係の破れが起こるほどには、2つの口を近づけることはできない。 しかし、1997年の論文でヴィッサーは、N個のワームホールを対称的な多角形に配置した複雑な「ローマンリング」（トム・ローマンにちなんで名付けられた）構成でもタイムマシンとして機能するという仮説を立てた。ただし、これは因果関係の破れが可能だという証拠というよりも、古典量子重力理論の欠点だろうと結論付けている。

一般相対性理論に基づく他のアプローチ

別のアプローチとして、通常ティプラーシリンダーと呼ばれる高密度の回転円柱があります。これは1936年にWillem Jacob van Stockum、1924年にKornel Lanczosが発見したGR解ですが、1974年にFrank Tiplerが分析するまで閉じたタイムライン曲線：21が得られるとは認識されていませんでした。 もし円筒が無限に長く、その長軸を中心に十分な速さで回転していれば、円筒の周りを螺旋状に飛ぶ宇宙船は過去に戻ることができる（螺旋の方向によっては前進することもできる）。 しかし、そのために必要な密度と速度は非常に大きく、通常の物質では構築することができない。 同様の装置は宇宙ひもから作ることができるかもしれないが、宇宙ひもの存在は知られておらず、新しい宇宙ひもを作ることはできないようだ。 物理学者のロナルド・マレットは、時空を曲げてタイムトラベルを可能にするために、リングレーザーを使って回転するブラックホールの状態を再現しようとしている。

回転する円筒や宇宙ひもに基づくタイムトラベルの仕組みに対して、より根本的な反論がホーキング博士によってなされました。彼は、弱いエネルギー条件が満たされる領域、つまりその領域には負のエネルギー密度を持つ物質（エキゾチックマター）が存在しないため、一般相対論に従って特殊なタイプのタイムマシン（「コーシー地平線をコンパクトに生成したタイムマシン」）を作ることが不可能だという定理を証明したのです。 ティプラーのような解は、数学的に解析しやすい無限長の円柱を仮定している。ティプラーは、有限長の円柱でも回転速度が十分に速ければ閉じた時間的曲線を生成できるかもしれないと示唆したが:169、彼はこれを証明してはいない。 しかし，ホーキングは，彼の定理により，「どこでも正のエネルギー密度でできるわけではない」と指摘している! 有限のタイムマシンを作るには負のエネルギーが必要だと証明できる」:96 この結果はホーキング博士の1992年の年代保護予想に関する論文に由来し，彼は「因果関係の違反が曲率特異点のない時空の有限の領域に現れる場合」を検証し，「コンパクトに生成されているコーシーの地平線があり，一般には不完全になる1つか複数の閉じた空測地線を含むだろう」と証明したのだ． このような閉じた測地線を周回することで、ローレンツブーストや面積の増加を測る幾何学的な量を定義することができます。 もし、因果関係の違反が非コンパクトな初期表面から発生したのなら、平均化された弱いエネルギーの条件はコーシーの地平面上で違反するはずです」。 この定理は、非コンパクトに生成されたコーシー地平線を持つタイムマシン（ドイチュ・ポリッツァー・タイムマシンなど）や、エキゾチックな物質を含む領域で、トラバーサルワームホールやアルクビエール・ドライブとブラックホールによる時間旅行の可能性を排除しない

Quantum physics

無通信定理

ある場所から信号を送信し、別の場所で受信したとき、信号が光速かそれ以下で移動している限り、相対性理論の同時性の数学は、送信イベントが受信イベントの前に起こったことをすべての基準フレームで同意することを示しています。 信号が光よりも速く移動する場合、すべての参照フレームにおいて、信号は送信される前に受信される。 この場合、信号は時間的に後方に移動したと言えます。 量子テレポーテーション、EPR パラドックス、量子もつれなどの量子力学的現象は、光よりも速い通信や時間旅行を可能にするメカニズムを作り出すように見えるかもしれない。実際、ボーム解釈などの量子力学のいくつかの解釈では、粒子間の相関を維持するために、ある情報が瞬時に粒子間で交換されていると仮定されている。 この効果をアインシュタインは「spooky action at a distance」と呼んだ。

しかし、量子力学において因果関係が保たれていることは、現代の場の量子論における厳密な結果であり、したがって現代の理論ではタイムトラベルやFTL通信は不可能である。 FTLが主張された具体的な例でも、より詳細な分析により、信号を得るためには、何らかの古典的な通信も使わなければならないことが証明されている。 また、無通信定理は、量子もつれを用いて古典的な信号よりも速く情報を伝達することができないことを一般的に証明している。

多世界解釈

量子力学のヒュー・エヴェレットの多世界解釈（MWI）は、タイムトラベラーが自分の来た宇宙とは別の宇宙に到着するという祖父のパラドックスに対する解決策を提供するものです。 多世界解釈では、すべての可能な量子現象は互いに排他的な歴史の中で起こり得ると考えられている。 しかし、異なる宇宙が相互作用することを許容するものもある。 この概念はSFでよく使われるが、David Deutschのような一部の物理学者は、タイムトラベラーは出発した歴史とは異なる歴史に行き着くはずだと提案している。 一方、スティーブン・ホーキングは、MWIが正しいとしても、タイムトラベラーはそれぞれ単一の自己矛盾のない歴史を経験すると考えるべきであり、タイムトラベラーは異なる世界に旅立つのではなく、自分の世界の中に留まると主張しています。 物理学者のアレン・エヴェレットは、ドイッチュのアプローチは「量子力学の基本原理を修正するものであり、単にMWIを採用する以上のものである」と主張した。 Everett はまた、Deutsch のアプローチが正しいとしても、複数の粒子からなる巨視的な物体がワームホールを通って過去に移動する際に、異なる粒子が異なる世界に出現して分裂することを意味すると主張している。

マーラン・スカリーが行った遅延選択量子イレーザー実験では、もつれた光子の対を「信号光子」と「アイドラー光子」に分け、信号光子は二重スリット実験と同じように二箇所のうちの一箇所から出てきてその位置を後で計測します。 アイドラーフォトンの測定方法によって、実験者はシグナルフォトンがどの位置から出てきたかを知ることもできるし、その情報を「消去」することもできる。 アイドラー光子をどうするか決める前にシグナル光子を測定しても、アイドラー光子の測定値と対応するシグナル光子を関連づけると、その選択によって干渉パターンが観測されるかどうかが遡及的に決まるようである。 しかし、干渉が観測されるのは、アイドラーフォトンが測定され、それがシグナルフォトンと相関した後なので、実験者はシグナルフォトンを見ただけでは、どのような選択がなされるかを事前に知ることはできず、システム全体から古典情報を収集するしかなく、因果関係は保たれています。

王利順の実験も、セシウムガスの電球の中に波のパッケージを送り、そのパッケージが電球に入る62ナノ秒前に出てくるように見えるので、因果関係の違反を示すかもしれませんが、波のパッケージは明確に定義された単一の物体ではなく、異なる周波数を持つ複数の波の和であり（フーリエ解析参照）、パッケージは、和中のどの純粋波もそうしなくても光より速くあるいは時間的に後方に動いて見えることがあるのです。 この効果を利用して、物質、エネルギー、情報を光よりも速く送ることはできないので、この実験も因果関係を侵害しないと理解されている。

コブレンツ大学の物理学者ギュンター・ニムツとアルフォンシュタルホーフェンは、光速よりも速く光子を送ることによってアインシュタインの相対性理論に違反していると主張している。 彼らは、量子トンネル現象と呼ばれる現象を利用して、3フィート（0.91m）まで離した一対のプリズムの間でマイクロ波光子が「瞬時に」移動する実験を行ったという。 ニムッツは『ニューサイエンテイスト』誌に次のように語っている。 「今のところ、これは私が知っている唯一の特殊相対性理論に対する違反です。” しかし、他の物理学者たちは、この現象によって情報を光よりも速く伝達することはできないという。 カナダ・トロント大学の量子光学の専門家であるエフレイム・スタインバーグ氏は、シカゴからニューヨークへ向かう列車が途中の各駅で車両を降ろし、各駅で列車の中心が前進することに例えて、列車の中心の速度が個々の車両のどの速度よりも速くなるとしています。

Shengwang Duは、単一光子の前駆体を観測したと専門誌で主張し、真空中ではcより速く移動することはないと述べています。 彼の実験では、真空中を通過させるだけでなく、遅い光も使った。 彼は2つの単一光子を生成し、一方をレーザーで冷却したルビジウム原子に通し（そのため光は遅くなる）、もう一方を真空に通した。 その結果、2回とも前駆体が光子の本体よりも先に現れ、前駆体は真空中をcの速度で進むことがわかった。 Duによれば、これは光がcより速く進む可能性はなく、したがって因果関係に違反する可能性もないことを意味している。

Absence of time travelers from the future

Krononauts

多くの人は、未来からのタイムトラベルがないことは、そのようなテクノロジーが発展しないことを証明していて、それが不可能であることを示していると論じている。 これは、地球外生命体の証拠がないことに関連したフェルミ・パラドックスに類似しています。 地球外生命体が存在しないことを証明できないように、タイムトラベラーが存在しないことは、タイムトラベルが物理的に不可能であることを証明できない。 カール・セーガンはかつて、タイムトラベラーは存在するが、その存在を偽装しているか、タイムトラベラーとして認識されていない可能性を示唆したことがある。 一般相対性理論では、時空がある方向にゆがんだ領域でのみタイムトラベルが可能で、その領域が存在する以前の時空にタイムトラベラーが戻ることはできないとする説がある。 スティーブン・ホーキング博士は、このことが、なぜ世界がまだ「未来からの観光客」であふれかえっていないのかを説明すると述べています。

タイムトラベル技術を発明するかもしれない未来の人類が、現代に戻ってきてそれを実演するように誘うために、いくつかの実験が行われました。 パースのデスティネーション・デイやMITのタイムトラベラー・コンベンションのようなイベントは、未来のタイムトラベラーが出会う時間と場所を恒久的に「広告」として大きく宣伝したのである。 1982年には、メリーランド州ボルチモアで「クロノノーツ」と名乗るグループが、この種のイベントを開催し、未来からの訪問者を歓迎した。 これらの実験は、タイムトラベルの存在を証明する肯定的な結果を生む可能性があるだけで、今のところ失敗しており、いずれのイベントにもタイムトラベラーは参加していないことが確認されている。 多世界解釈のいくつかのバージョンでは、未来の人間がタイムトラベルしたのではなく、パラレルワールドで出会った時間と場所にタイムトラベルしたと考えることができる。